전동 팽창 밸브의 모션 솔루션



전동 팽창 밸브에 성능을 전달하는 스테퍼 모터

팽창 밸브는 모든 냉동 시스템에 쓰이는 흐름 제한 장치입니다. 정상 작동 상태일 때는 밸브 니들이 열려 있습니다. 개구부의 크기나 니들의 위치는 증발기의 압력 및 온도와 관련이 있습니다. 팽창 밸브를 바르게 설정하고 제어하면 증발기가 작동 내내 활동합니다.

시중에는 여러 종류의 팽창 밸브 기술이 나와 있습니다.
 온도 감지봉을 사용하는 무동력 솔루션
• 동력 솔루션:
o 펄스 폭 변조(PWM) 방식의 단일 솔레노이드
o 대부분의 경우 모터가 스테퍼인 모터와 리드 스크류 조합



펄스 폭 변조 팽창 밸브(PWM)
펄스 폭 변조 팽창 밸브는 단일 솔레노이드 밸브 회로를 사용하여 냉매 흐름을 제어합니다. 이런 밸브는 컨트롤러로부터 받는 신호에 따라, 정해진 시간 동안 완전히 열리거나 닫힐 수 있습니다. 예를 들면, PWM 팽창 밸브는 처음 5초간 개방됐다가 다음 5초간 폐쇄되어 10초 내 50%의 흐름을 획득합니다.

이 같은 밸브는 몇 밀리초 사이에 완전히 닫힌 위치에서 완전히 열린 위치로 왕복 운동하면서 가변적인 부하에 적응할 수 있어서 다중 회로 증발기에 사용됩니다.

펄스 폭 변조 밸브의 최대 약점은 전력 소비량입니다. 그런 밸브는 변경이 필요할 때만 맥동하지만, 사이클의 전체 개구부에서 솔레노이드 유지력을 소진합니다. 이는 정격 용량이 낮은 단일 회로 시스템에 사용될 경우 시동 중 과도한 맥동을 유발할 수도 있습니다.



스테퍼 모터 구동형 팽창 밸브
전력이 공급되기만 하면 회전하는 PMDC 모터와 달리, 스테퍼 모터는 자기장을 사용하여 불연속 스텝으로 회전하면서 일정한 증분값으로 운동합니다. 모터의 스텝 크기와 컨트롤러의 스텝 패턴에 따라, 스테퍼 모터는 아주 정확한 포지셔닝을 획득할 수 있습니다.



적합한 스테퍼 모터 선택
작은 스텝의 회전 운동을 제공하는 종래의 스테퍼 모터는 몇몇 산업 및 의료 분야에 사용될 수 있습니다. 그러나 전자 팽창 밸브의 경우 선운동만 필요한 것이 아니라 시스템 압력이 높아지면 밸브 포트를 닫는 선형력도 많이 필요합니다.

밸브용 스테퍼 모터의 선택에 영향을 미치는 요인:
• 출력 토크/세기
• 속도
• 스텝 분해능
• 구동 시스템



출력 토크/세기
스테퍼 모터에서 나오는 출력 토크 또는 세기는 모터 크기, 듀티 사이클, 모터 권선 및 사용되는 드라이버 종류의 함수입니다. 제조업체의 데이터 시트에는 풀인 및 풀아웃 토크가 여러 종류의 모터 및 드라이버 조합에 대한 스테핑 레이트의 함수로 명시되어 있습니다.

풀인 토크 곡선은 상이한 스테핑 레이트에서 스텝을 전혀 상실하지 않고 모터가 기동할 수 있는 최대 부하 토크를 보여줍니다. 풀아웃 곡선은 모터가 정해진 스테핑 레이트에서 일정한 속도로 기동할 때 이용할 수 있는 총 토크를 보여줍니다.

밸브는 부하가 가변적인 조건에서 배압을 크게 받으며 작동하기 때문에 요구되는 세기를 정확히 파악하는 것이 어려울 수 있습니다. 정해진 속도에 관계 없이 적용 토크보다 적어도 50%는 높게 안전계수를 유지하려는 설계자가 많습니다.



모터 선택의 예
회전식 스텝모터 데이터 시트는 모두 풀인 및 풀아웃 토크를 속도 곡선과 비교합니다. 응용 분야의 부하 패턴에 따라 어느 토크를 계산할지 선택해야 합니다. 모터가 가속해야 하고 처음부터 부하가 걸릴 경우에는 풀인 토크를 고려해야 하며, 이것이 일반적으로 팽창 밸브에 합리적입니다.

다음 예를 고려하여 정해진 밸브의 세기와 속도에 알맞은 모터를 선택할 수 있습니다.
예:
• 밸브가 획득할 수 있는 최소한의 세기: 150N
• 요구되는 구동 선속도: 0.4mm/초
• 밸브의 선분해능 0.002mm/스텝
• 전압: DC 12V

밸브는 선분해능이 좋아야 하기 때문에 회전당 스텝이 많은 모터가 이상적인 선택 대상입니다. Portescap이 제공하는 100스텝/회전의 42mm 모터는 대부분의 팽창 밸브 응용 분야에 적합합니다.

감속비가 12.25인 전동 시스템을 가정할 경우: 1은 모터와 함께 사용되어 선형 구동에 이용할 수 있는 토크를 개선합니다. 보다 높은 세기에서 안전하게 작동하고 보다 좋은 전달 효율과 원하는 선분해능을 제공할 수 있는 선형 구동용으로 적합한 리드 스크류를 선택합니다. 이 경우 스크류의 리드는 2.45mm입니다.

데이터 시트는 토크와 속도 곡선을 비교합니다. 모터의 동작점을 결정하려면 원하는 선속도를 획득하는 데 필요한 PPS(입력 주파수)를 계산해야 합니다.




모터 회전당 스텝 수 = 100
기어 감속비 = 12.25
밸브의 선속도(mm/s) = 0.4
스크류 리드(mm) = 2.45

모터 PPS(전체 스텝/초) =[100*12.25*0.4]/2.45 = 200

Portescap 42M100D2B 모터의 데이터 시트에 따르면, 이용 가능한 풀인 토크는 0.024N-m입니다.
기어의 전달 효율은 90%이고 리드 스크류의 전달 효율은 50%라고 가정하겠습니다.



리드 스크류에서 이용할 수 있는 토크 = 0.024*12.25*0.9 = 0.265N-m
밸브의 출력 세기(N) = [0.265*2*3.14*0.5]/ [2.45*(1/1000)] = 340

위의 예에서, 모터가 원하는 속도에서 원하는 세기를 획득하는 안전계수가 최소 3이라는 것을 알 수 있습니다.

대부분의 정전 용량이 낮은 가정용 시스템은 나사산 회전자가 있는 캔 스택 스테퍼 모터와 통합형 리드 스크류로 이루어진 직접 구동 선형 액추에이터를 사용하여 소형 패키지에 직접적인 선운동을 제공할 수 있습니다. 그러나 이보다 정전 용량이 높아서 큰 세기가 요구되는 시스템에는 특수하게 설계된 전동 시스템이 추가로 필요할 수도 있습니다.



스텝 분해능
동적 부하 조건에서 냉매 흐름을 정밀하게 제어하기 위해 밸브의 스테퍼 모터는 보다 작은 스텝에서 밸브 니들에 선운동을 제공하도록 설계됩니다.

스테퍼 모터 시스템의 분해능에 영향을 미치는 요인:
• 스테퍼 모터 풀스텝 길이, 즉 모터의 스텝 각도
• 선택된 드라이버 모드(풀스테핑, 하프스테핑 또는 마이크로스테핑)
• 기어 감속비
• 리드 스크류 피치

따라서, 원하는 분해능을 얻을 수 있는 조합은 여러 가지입니다. 스테퍼 모터 밸브는 수백개의 스텝을 가질 수 있기 때문에 아주 정밀한 냉매 흐름 제어와 부드러운 적응이 가능합니다. 이런 밸브는 가변적인 부하 조건에 정확하게 대응할 수 있기 때문에 펄스 폭 변조 밸브보다 상대적으로 더 효과적입니다.



구동 시스템
스텝 모터에 흔히 사용되는 여기 모드는 세 가지입니다: 풀스테핑, 하프스테핑 및 마이크로스테핑.
풀스텝 동작에서는 모터가 기본 스텝 각도 사이에서 운동합니다. 예를 들면, 스텝 각도가 7.5도인 스테퍼 모터는 모터 회전당 스텝이 48개입니다.



하프스테핑
하프스텝은 스텝이 발생하는 여기가 기본 스텝 각도의 절반입니다. 스텝 운동이 풀스테핑보다 작은 이 모드는 분해능이 2배이고 작동이 더 부드럽습니다. 위치에 관계 없이 부드러운 작동과 홀딩 토크를 일정하게 유지하려면 줄 효과에 의해 소실되는 전력이 일정한 전류원에서 모터를 구동하는 것이 중요합니다. 단상 ON 위치의 전류가 X암페어라면 2상 ON 위치에서 각 위상의 전류는 X/√2가 됩니다.



마이크로스테핑
보다 낮은 속도에서 보다 부드러운 분해능을 요구하는 응용 분야에서는 요구되는 분해능을 풀스텝 작동이 제공하지 못할 수도 있습니다. 이럴 때 마이크로스테핑 컨트롤러가 사용됩니다.

마이크로스테핑은 펄스를 부드러운 회전에 이상적인 파형으로 모터에 보내는 드라이버입니다. 그 목적은 드라이버가 전류를 사인파의 형태로 보내는 것입니다. 90도 역상인 2개의 사인파는 부드러운 모터용으로 완벽한 드라이버입니다. 2개의 스텝 코일이 이 사인파를 따라가도록 하면 "스테핑"을 전혀 탐지할 수 없는 완벽하게 조용하고 부드러운 모터가 탄생합니다.

오늘날의 전동 팽창 밸브는 아주 섬세한 마이크로스테핑을 사용하여 소음과 공명 문제를 해결하고 스텝 정확도와 분해능을 높입니다. 시스템의 임계를 고려하여, 드라이버는 증발기의 업스트림에 위치한 온도 및 압력 센서로부터 입력을 받아 최적의 시스템 균형을 유지하는 정교한 컨트롤러에 통합됩니다.



결론
전자 팽창 밸브를 사용하는 주된 이유는 과열(SH)을 최소화하여 시스템 효율을 개선하고 가변적인 정전 용량 요건에 보다 신속하게 대응하기 위해서입니다. 두 가지 밸브 기술이 모두 이 요건을 충족할 수는 있지만, 스테퍼 모터 밸브가 올바르게 설계되기만 하면 단 몇 퍼센트의 정전 용량에서 안정을 유지하기 때문에 낮은 부하 조건에서 더 효과적일 수 있습니다. 스테퍼 모터 디자인은 보다 낮은 운영비, 간결한 디자인 및 가변적인 부하 조건에 신속하게 대응하는 능력 등 고유의 이점을 제공하기 때문에 시스템 설계자들에게 최우선순위가 되고 있습니다.

Portescap은 밸브 본체에 쉽게 통합할 수 있어 냉매 흐름을 정밀하게 제어하는 맞춤형 서브어셈블리 기능을 갖춘 기어 캔 스택과 직접 작동하는 선형 액추에이터 솔루션을 제공합니다.
맞춤형 밸브 솔루션에 대한 많은 경험과 냉매 제어 방식의 이해를 통해 환경을 보호하고 공간을 효율적으로 이용하는 저렴하고 혁신적인 시스템을 제공할 수 있습니다.



이점
• 비용 효과적 - 콤팩트한 디자인, 낮은 통합 비용
• 유지 관리 필요 없음 - 브러시 마모 없음
• 캔 스택 선형 기술 - 애플리케이션 공간 최적화
• 여러 리드 스크류 피치 옵션
• 기계 부품 감소
• 여러 솔루션을 제공하는 기술 전문지식



사용자 정의 옵션
• 코일 최적화 - 특정 전압에 대한 저항과 인덕턴스 조정
• 특수 케이블 - 리드 길이, 절연, 커넥터, 수축 튜브
• 리드 스크류 길이
• 맞춤형 샤프트 - 플랫, 널링, 길이
• 선형력을 높이는 기어 옵션
• 특수 장착 플랜지
• 자석 - 높은 토크나 감소된 토크 디텐트 수준 제공

Figure 1

Portescap

Figure 2

Portescap